Mihai Drăgănescu

„Cercetări privind managementul integrat al infrastructurilor de date (geo)spaţiale” (2009 – 2013)

Pentru anul 2013 cercetările colectivului de managementul informaţiilor geospaţiale se vor orienta spre cercetarea conceptului de societate activată spatial şi managementul integrat al infrastructurilor de date (geo)spaţiale şi a instrumentelor specifice asociate conceptului de societate activată spatial.

Coordonator subprogram

Dr. Mat. Angela IONIŢĂ, CS I,

Colectivul de cercetare

• 
  CS I, Dr. Mat. Angela Ioniţă (coordonator)
  
• 
  CS III. Dr. Ing. Radu Gogu (1/2 normă)
  
• 
  CS III Ing. Ex. Marius Enache (1/2 normă)
  
• 
  Cerc. Alina Muntean u (1/2 normă)
  

• 
  Termen de realizare
  

20 decembrie 2013

Faze realizate ỉn anul 2009

Faza I:	Studiu privind probleme ale implementării de geoportale tematice
Faza a II-a:	Raport de cercetare privind tehnici de implementare şi aplicaţii pentru geoportale tematice

Faze realizate ỉn anul 2010

Faza a III-a:	Studiu privind noi modele semantice aplicabile ỉn ingineria informaţiilor (geo)spaţiale
Faza a IV-a:	Aplicaţii ale noilor modele semantice ỉn ingineria informaţiilor (geo)spaţiale

Faze realizate ỉn anul 2011

Faza a V-a:	Infrastucturi de date geospaţiale bazate pe ontologii ỉn geoştiinţe
Faza a VI-a:	Aplicaţii dezvoltate prin implementarea strategiilor de manage ment integrat al infrastructurilor de date geospaţiale

Faze propuse pentru anul 2012

Faza a VII-a:	Metode pentru descoperirea şi vizualizarea de evenimente relevante din sursele eterogene de date existente şi baze de date geospaţiale
Faza a VIII-a:	Instrumente specifice pentru descoperirea şi vizualizarea de evenimente relevante din sursele eterogene de date existente şi baze de date geospaţiale

Faze propuse pentru anul 2013

Faza a VII-a:	Conceptul de societate activată spatial şi managementul integrat al infrastructurilor de date (geo)spaţiale
Faza a VIII-a:	Instrumente specifice asociate conceptului de societate activată spatial

Stadiul actual al cunoştinţelor în domeniu

Informaţiile geospaţiale joacă un rol critic atât în domeniu militar cât şi în cel civil. Serviciile web geospaţiale promit să facă aceaste informaţii din ce în ce mai accesibile cu toate că sarcina de a căuta şi de găsi informaţiile geospaţiale este din ce în ce mai dificilă. Web-ul semnatic promite şi el să faciliteze acest proces prin îmbunătăţirea capabilităţilor de a căuta informaţii printr-o exprimare din ce în ce mai bună a contextului şi înţelesului interogării. Înlănţuirea celor două abordări pentru a crea web-ul semantic geospatial (Geospatial Semantic Web) este o idée care este promiţătoare deoarece căştigă teren atât în Geospatial Information Science cât şi în Semantic Web Services.

Furnizorii de informaţii geospaţiale, inclusiv aenţiile guvernamentale şi sursele comerciale, utilizează geoportale pentru a publica descrieri (geospatial metadata) ale informaţiilor lor geospaţiale. Consumatorii de informaţii geospaţiale, profesionişti sau sporadici, utilizează geoportale pentru a căuta şi accesa informaţiile care le sunt necesare. Astfel de geoportale au un rol din ce în ce mai important în ceea ce priveşte partajarea de informaţii geospaţiale şi în ceea ce priveşte evitarea duplicării eforturilor, inconsistenţelor, întârzierilor, confuziei şi irosirii resurselor.

Un geoportal este un tip de portal web utilizat pentru a găsi şi accesa informaţii geospaţiale şi servicii geografice asociate (afişare, editare, analiză, etc.) prin intermediul Internet-ului. Geoprtalele sunt importante pentru utilizarea efectivă a sistemelor de informatie geografică (geographic information systems = GIS) şi un element cheie în infrastructurile de date spaţiale (Spatial Data Infrastructure = SDI).

United States National Spatial Data Infrastructure (NSDI), lansat în 1994 (http://en. wikipedia.org/wiki/OMB_Circular_A-16), este considerat primul concept de geoportal. U.S. Federal Geospatial Data Committee (FGDC) coordonează dezvoltarea NSDI Clearinghouse Network, primul geoportal mare care conţine numeroase cataloage distribuite ce pot fi căutate prin intermediul unei interfeţe client.

Lansat în 2003, geoportalul Geospatial One-Stop (GOS) (http://en.wikipedia. org/wiki/ Geospatial_One-Stop) a fost dezvoltat ca parte a iniţiativei de e-government din Statele Unite. GOS a fost construit în jurul unei baze de date de tip catalog de metadate centralizat cu o arhitectură care leagă utilizatorii la furnizorii de date printr-un geoportal bazat pe web. Utilizatorul de GOS poate să anagjeze un simplu browser web (thin client) sau poate interfaţa direct cu un GIS (thick client).

În ultimii ani ne confruntăm cu proliferarea de geoportale pentru partajarea informaţiilor geospaţiale care se bazează pe regiune sau temă. Exemplele include geoportalul Infrastructure for Spatial Information in the European Community (INSPIRE), geoportalul NatCarb (http://en. wikipedia.org/wiki/NatCarb) care furnizează informaţii geospaţiale în ceea ce priveste carbon sequestration în Statele Unite şi UNSDI (United Nations Spatial Data Infrastructure) (http://en.wikipedia. org/wiki/UNSDI).
Problema semanticii în cadrul informaţiei geospaţiale

Semantica datelor este o problemă bine cunoscută în comunitatea specialiştilor în informaţii geospaţiale. De obicei, sunt capturate doar informaţii limitate semantic pentru a descrie fenomene din lumea eală. Înţelesul complet şi semnificaţia fenomenului care trebuie reprezentat se pierd în timpul capturării datelor sau sunt reprezentate sub forma metadatelor. Astfel, se întâmplă ca utilizatorul să adauge în mod conştient această informaţie în cursul exploatării acestor date într-o aplicaţie sau, aplicaţiile, ele însele, adaugă bogăţie semantică prin codificare. Lipsa semanticii suficiente în modelele de date poate să conducă la probleme printre care:

• 
  serviciile web nu pot căuta şi accesa în mod dinamic surse de date publice;
  
• 
  datele pot fi folositepentru a rezolva problema pentru care au fost pregătite iniţial;
  
• 
  înţelesul datelor poate să nu fie interpretat corect în timpul utilizării lor într-o aplicaţie;
  
• 
  “eterogenitatea semantică” între bazele de date (adică diferenţe în înţeles şi semnificaţie) inhibă partajarea datelor.
  

Din cauza faptului că nu s-a acordat atenţie suficientă semanticii, eforturile de dezvoltare de date conduc adesea la date care sunt mai sărace în informaţie decât este necesar, ceea ce limitează sever abilităţile utilizatorilor de date în a aplica efectiv acele date, în domenii multidisciplinare, în vederea luării deciziei, aşa cum se propune în INSPIRE (www.inspire.org).

O consecinţă importantă a lipsei de semantică constă în faptulcă este extrem de dificil să se reutilizeze datele între agenţii ale diverselor state sau chiar între statele din Uniunea Europeană.

Semantica asociată serviciilor este o problemă relativ nouă, mai puţin familiară majorităţii utilizatorilor de software de geoprocesare. Serviciile web au câştigat popularitate între arhitecţii şi dezvoltatorii de sisteme informatice. Serviciile web sunt cheia realizării viziunii complete a Infrastructurilor de Date Spaţiale. Open Geospatial Consortium (OGC) a dezvoltat OGC Web services care pun geoprocesarea într-o paradigmă nouă de calcul distribuit (Ionita, 2006).

La WWW7 (Brisbane, 1997), Tim Berners-Lee a prezentat viziunea sa asupra unui global reasoning web. La WWW8 (Toronto, 1998) el şi-a articulat viziunea asupra web-ului semantic în care informaţia are un înţeles dat, bine definit, permiţând calculatoarelor şi specialiştilor să lucreze bine împreună. Iniţiativa Semantic Web de la W3C a generat tehnologie şi instrumente care se estimează că vor umple golul dintre soluţiile curente standard şi cerinţa de servicii semantice avansate.

Web-ul semantic necesită utilizarea de limbaje care exprimă informaţii într-o formă citibilă de către maşină astfel încât software-ul să furnizeze informaţii relevante sau servicii, cu intervenţie umană minimă.

În cadrul acestui subprogram, abordarea se bazează pe Geospatial Semantic Web, un set specializat al web-ului semantic. Geospatial Semantic Web se bazează pe arhitectura propusă de INSPIRE care, în general, descrie un sistem pentru:

• 
  schimb de mesaje;
  
• 
  descriere de servicii web;
  
• 
  descriere de servicii web pentru publicare şi descoperire.
  

Arhitectura serviciului web defineşte interacţiunile între agenţii software ca un schimb de mesaje între cei care cer serviciul şi cei care furnizează serviciul. Cei care cer serviciul sunt agenţi software care cer executarea unui serviciu. Cei care furnizează un serviciu sunt agenţi software care furnizează servicii. Agenţii pot fi de ambele forme.

Cei care furnizează servicii sunt responsabili pentru publicarea unei descrieri a serviciului/serviciilor pe care îl/le furnizează. Cei care cer servicii trebuie să fie capabili să găsească descrierea/descrierile serviciului/serviciilor.

În cadrul acestu subprogram se propune extinderea arhitecturii INSPIRE cu ontologii şi servicii semantice de bază.
Caracteristicile Geospatial Semantic Web

Arhitectura serviciilor web presupune că, clienţii înţeleg semantica serviciului publicat în termenii parametrilor de intrare şi ieşire. În contrast, web-ul semantic permite clienţilor să descopere şi să se lege la servicii în mod dinamic fără cunoştinţe de specialitate anterior dobândite, asupra sintaxei şi semanticii lor. Serviciile web-ului semantic sunt servicii web identificate cu o descriere formală (semantică) care poate să permită descoperirea, selecţia, compoziţia, monitorizare şi interoperabilitatea. În acest caz, clienţii pot să caute servicii care nu se baezaeză pe numele sau sintaxa lor, ci se bazează pe servicii care trebuie să fie executate de către client. Serviciile web-ului semantic se bazează pe cei care cer serviciul care sunt capabili să înţeleagă descrierea furnizorilor de servicii. Odată ce au fost găsite serviciile web, sunt necesare mecanisme care să faciliteze combinarea şi secvenţierea acestor servicii. Atunci când sunt puse împreună sau sunt “ înlănţuite”, interfeţele lor trebuie să interopereze. Trebuie însă să se rezolve eterogenitatea structurală şi semantică.

Eterogenitatea structurală exisă acolo unde serviciile web folosesc diferite structuri de date şi ierarhii de clase pentru a defini parametrii interfeţelor lor. Eterogenitatea semantică există acolo unde diferiţi dezvoltatori de servicii folosesc termeni diferiţi în etichetare când sunt acceaşi parametri de interfaţare. Datele care sunt interschimbate de serviciile webtrebuie să aibă acelaşi înţeles laambele feţe ale interfeţei.

Ideea generală constă în faptul că serviciile web-ului semantic trebuie să fie conştiente de conţinutul lor, să înţeleagă interesele utilizatorilor săi şi să utilizeze cât mai bine cu putinţă toate informaţiile codificate.

Standardele semantice deschise trebuie încurajate în cadrul comunităţii pentru a permite crearea de servicii pentru cunoaştere, captare, memorare, înlănţuire şi distribuţie. Astfel de standarde vor permite utilitarelor de tip client, prietenoase, să comunice cu aceste servicii şi să furnizeze funcţii inteligente de selecţie, compoziţie, reprezentare şi procesare. Asocierea înţelesului cu conţinutul, stabilind un strat de date inteligibile de către maşină despre conţinut, face posibile servicii interoperabile şi permite un grad înalt de automatizare şi aplicaţii din ce în ce mai inteligente.

Scopul final al web-ului semnatic este cela de a permite maşinilor să partajeze şi să exploateze date prin utilizarea de ontologii.

Ontologia, în contextul web-ului semnatic, este teoria obiectelor şi a legăturilor dintre ele. Desfăşurarea ontologiei furnizează criterii pentru a distinge tipuri de obiecte variate (concrete şi abstracte, existente şi inexistente, reale şi ideale, independente şi dependente) şi legăturile lor (relaţii, dependenţe şi aplicţii).

Ontologia geospaţială este teoria obiectelor geopaţiale şi a legăturilor lor. Modelele ontologice au următoarele avantaje:

• 
  definesc consensuri în cadrul unei comunităţi informaţionale asupra interpretării termenilor;
  
• 
  furnizeza o fundamentare riguroasă pentru conversii sau translaţii de termeni;
  
• 
  furnizează termeni bine definiţi cum ar fi echivalent, invers, trnzitiv, simetric, proprietate unică, cardinalitate, tipuri de date.
  

Comunitatea web-ului semantic trebuie să se ocupe de următoarele aspecte:

• 
  automatic web services publishing: odată ce o resursă nouă (serviciu sau dată) este făcută disponibilă, o componentă software inteligentă poate să culeagă descrierea semantică a resursei şi să o înregistreze corepunzător. Descrierea semantică a serviciului web poate să includă o descriere finală a ceea ce cere serviciul de la utilizator sau de la alte componente softare, ce tip de sarcini execută serviciul, cum lucrează serviciul în termeni de pre- şi post condiţii şi efecte secundare şi cum se utilizaeză serviciul în termeni de legături.
  
• 
  automatic web services discovery: un utilizator doreşte să îndeplinească o sarcină care poate să necesite execuţia unuia sau mai multor servicii. Aşa cum s-a propus în mai multe publicaţii despre web-ul semantic, un serviciu de “potrivire” (matching) va îndeplini această sarcină¹ .
  
• 
  automatic web services composition: sarcinile complexe necesită de obicei executarea a mai mult de un serviciu. Geospatial Semantic Web trebuie să fie capabil să analizeze inteligent cererile de execuţie de sarcini şi să compună secvenţa potrivită de cereri de sarcini.
  
• 
  automatic web services interoperation invocation: odată ce serviciile au fost modificate, trebuie rezolvată eterogenitatea sintactică şi semantică.
  
• 
  automatic web services execution and monitoring: Geospatial Semantic Web trebuie să fie capabil să furnizeze interfeţe pentru a monitoriza performanţa serviciului.Vor trebui furnizate metrici de calitate a serviciilor. Un beneficiu al QoS (quality of service) constă în faptul că se permite aplicaţiilor client să selecteze servicii bazate pe calitatea lor şi astfel să ajute compunerea de seturi corecte de servicii.
  

Situaţia tehnologiilor

GML va juca un rol important în dezvoltarea Geospatial Semantic Web dar nu va fi o soluţie completă pentru cerinţele web-ului semantic. GML poate reprezenta doar proprietăţi semantice ale obiectelor geografice prin structurile lor sintactice şi schematice. Cererile de servicii OGC care returnează GML trebuie să fie conştiente de aceste structuri prin intermediul schemei ce este definită printr-o schemă de aplicare GML. Cu toate că în contextul de aplicare se poate deriva un tip oarecare de semantică din structura schemei, semantica fiecărui tip element nu este definită şi interpretarea sa se leagă de cunoaştinţe implicite codificate în programe de aplicţie. Pentru a dezvolta un web semantic cu semantică, este necesar ca resursele de web să fie adnotate cu descrieri structurate inteligibile de către maşină, ale conţinutului şi relaţiilor, folosind vocabulare şi construcţii care au fost explicit şi formal definite cu ontologii (de) domeniu. Punctul de vedere al universului înglobat de către ontologie este o descriere ierarhică a unui set de concepte (ierarhia is-a), un set de proprietăţi şi relaţiile dintre ele precum şi un set de reguli de interfaţare.

În plus, faţă de straturile serviciului OGC (interfeţe definite în cadrul OGC Specifications) şi stratul modelului informaţional (schemele de aplicaţie GML), arhitectura Geospatial Semantic Web trebuie să aibă şi următoarele trei straturi:

1. 
   stratul de metadate: modelul de date de la acest strat conţine conceptele de resursă şi proproetăţile. RDF a fost dezvoltată de către W3C pentru a fi modelul de date pentru stratul de metadate.
   
2. 
   stratul schema: limbajele de ontologii web sunt introduse la acest strat pentru a defini o descriere ierarhică a conceptelor (ierarhia is-a) şi proprietăţile. RDFS dezvoltată de W3C este candidate schema layer language.
   
3. 
   stratul logic: pe acest strat sunt introduse limbaje mai puternice de ontologii. Aceste limbaje furnizează un set bogat de primitive de modelare care pot fi mapate în principal la logica predicatelor de ordinul întâi. Web Ontology Language (OWL), dezvoltat de W3C este, în acest sens, cel mai promiţător limbaj.
   

În ceea ce priveşte serviciile web, OGC a definit Web Registry Service (WRS) pentru a descrie un standard pentru o înregistrare online de servicii şi surse de date şi pentru publicare şi descoperire dinamică a serviciilor OGC oferite de furnizorii de servicii. OGC a definit un Web Service Description Language care este o derivată a serviciilor web înregistrate cu o bază de date UDDI şi în cazul OGC sunt descrise serviciile web înregistrate cu WRS.

Web-ul semantic va utiliza ontologii pentru a descrie resurse web diverse iar cunoştinţele de pe web vor fi reprezentate într-un mod structurat, logic şi semantic. Acesta va schimba modul de navigare al componentelor software (agenţi), de recoltare şi utilizare a informaţiilor pe web. Pe de o parte, serviciul web este un web al bazelor de cunoştinţe distribuite, unde agenţii pot să citească şi să raţioneze asupra cunoştinţelor publicate cu ghidarea ontologiilor. Pe de altă parte, serviciul web este o colecţie de servicii web descrise prin ontologii. OASIS şi Naţiunile Unite au dezvoltat ebXML (electronic business care foloseşte XML: http://www.ebxml.org) pentru a descrie interacţiunile de business din perspectiva fluxului de activităţi. DAML Service Coalition a propus DARPA Agent Markup Language Service (DAML-S, DAML-S standards). DAML-S facilitează potrivirea dinamică între agenţi eterogeni: agenţii furnizori de serviciu pot să le promoveze capabilităţile către agenţii mijlocaşi; agenţii mijlocaşi memorează aceste promovări; un agent care cere acest serviciu poate întrebe un agent mijlocaş dacă ştie sau nu alţi agenţi furnizori cu capabilităţile dorite; agenţii mijlocaşi potrivesc cererea în corelaţie strânsă cu promovările memorate şi întorc rezultatul, un subset al promovărilor memorate (Sycara et al., 2002). După cum se poate vedea, există tehnologii pentru realizarea web-ului semantic dar trebuie să fie cunoscut modul în care se construieşte terminologia şi înţelegerea standardelor de domeniu pentru fiecare dintre straturi.

Rolul organismelor administrative europene şi al OGCE

Este recunoscut faptul că, în comunitatea web-ului semantic, ontologiile vor juca un rol esenţial în dezvoltarea web-ului semantic (Barros et al., 1998). Multe eforturi au fost depuse în cercetarea diferitelor aspecte ale ontologiilor, incluzând limbajele de reprezentare de ontologii (Corcho and Gomez-Perez, 2000), dezvoltarea de ontologii (Jones et al., 1998), abordări de leraning ontology (Maedche et al., 2001) şi sisteme de biblioteci de ontologii (Ding et al., 2001), care administrează, adaptează şi standardizează ontologiile.

Standardizare

OGC şi ISO în cooperare cu OGCE şi alte organisme dministrative europene trebuie să conducă eforturile de standardizare către construirea ontologiilor de domeniu pentru date şi servicii. Se crede că un set de bazaă de concepte ontologice bazate pe seriile ISO 19100, trebuie să se dezvolte şi să se standardizeze de către ISO şi OGC. Acest aspect este cunoscut sub numele de Geospatial Backbone Ontology. Această ontologie va fi baza mai multor ontologii de domeniu speciliazate. OGC trebuie să fie înrolat într-o activitate formală şi să lucreze împreună cu ISO pentru a construi Backbone Ontology şi pentru a proiecta un cadru de lucru pentru comunităţi de partajare de date pentru a construi stratul de ontologii (cum ar fi de exeplu, transporturi şi amenajarea teritoriului).

A fost propus un număr de limbaje pentru reprezentarea de ontologii (Corcho and Gomez-Perez, 2000) şi au fost construite diverse sisteme de biblioteci de ontologii (Ding and Fensel, 2001). Chestiunea este ce ar putea fi standardizat în ontologiile pentru aplicaţii geospaţiale.

Nu există intenţia de a sprijini o singură ontologie care să fie acceptată de toate părţile implicate ci de a sprijini ontologii multiple suprapuse cu mapare între ele. OGC, de exemplu, este implicat în inţiativa Geospatial One Stop, care construieşte ontologii de domeniu pentru teme legate de transport. Eforturi similare au fost depuse în Europa în cooperare cu OGC precum şi cu alte coaliţii de furnizori de date şi organizaţii, incluzând Deutchen Dachverbandes fur Geoinformation (DDGI: http://www.ddgi.de/), Digital Geographic Information Working Group (DGIWG: http://metadat. dgiwg.org) şi agenţiile naţionale de cartografie.

Adoptare

Pe măsură ce ontologiile evoluează odată cu trecerea timpului, extinderea şi actualizarea ontologiilor existente devine un subiect din ce în ce mai important. Din punct de vedere tehnic, acesta include ontologii de cătare, editare şi raţionament într-un sistem de biblioteci de ontologii.

Din punct de vedere organizaţional, agenţiile europene de cartografie şi comunităţile informaţionale joacă un rol vital în promovarea, utilizarea şi adaptarea de ontologii la toate nivelurile în Europa.
Management

Scopul principal al ontologiilor este acela de a permite partajarea şi reutilizarea cunoştinţelor, deci un sistem tipic de biblioteci de ontologii sprijină memorarea deschisă şi organizarea, identificare şi versiuni multiple. Memorarea deschisă şi organizarea se ocupă de modul în care sunt memorate ontologiile şi de modul în care sunt organizate într-un sistem de biblioteci pentru a facilita accesul şi managementul. Identificarea asociază fiecărei ontologii un identificator unic. Versiunile multiple sunt o facilitate importantă întrucât ontologiile evoluează în timp şi un mecanism pentru versiuni multiple poate să asigure consistenţa diferitelor versiuni ale ontologiilor. Imaginea mentală este a unei ontologii geospaţiale europeane care se întinde la nivelul local, regional, naţional, european la nivel global. Aceste ontologii vor fi înlănţuite, reducând redunadanţele şi suprapunerile. Organizaţiile europene de cartografie de la nivel naţional şi alte organisme administrative europene vor juca un rol important în managementul acestor ontologii vaste.

Construcţia ontologiilor spaţiale pentru Europa

Primul pas către Geospatial Semantic Web pentru Europa este acela de a formula fundamentele construcţiei pentru diferite domenii geospaţiale şi a pune bazele finale pentru sursele de date existente. În (Kuhn and Raubal, 2003) s-a propus construcţia unei ontologii de referinţă pentru domenii geospaţiale. Este foarte dificil să se construiască sau să se standardizeze o singură ontologie pentru un domeniu care are aspecte culturale întreţesute, aşa cum se întâmplă în Uniunea Europeană. Ontologiile variază potrivit regiunilor cărora le datorează diferenţele culturale. După cum se arată în cercercetările desfăşurate în cadrul oraşelor digitale, aspectele interculturale devin omniprezente în spaţiul informaţional. Pe de altă parte, pentru utilizatori este de dorit să se obţină şi să se publice informaţiile bazate pe propriile ontoloii. Prin urmare, se favorizează translaţia de ontoloie ca un mecanism pentru a face faţa problemei semantice provenite de la diferenţele culturale. Se face totuşi diferenţa între aceste abordări şi abordarea construcţiei modelelor ontoloice unificate care sunt acceptabile în cadrul multiplelor culturi europene. OCE va lucra pe aceste zone cu Uniunea Europeană.

Continuarea cooperării între OGCE şi diferite organisme administrative europene va ajuta dezvoltarea ulterioară a Geospatial Semantic Web Services.